LA BOMBA CENTRÍFUGA

Una bomba centrifuga es una máquina que mueve fluidos rotándolos con un impulsor rotativo dentro de un difusor que tiene una entrada central y una salida tangencial tal como se observa en la Figura 29. La trayectoria del fluido es una espiral que se incrementa desde la entrada en el centro a la salida tangente al difusor. El impulsor transmite energía cinética al fluido al rotar el líquido pasándolo a través de él, el movimiento de este, forma un vacío parcial a la succión del impulsor. En el difusor, parte de la energía cinética es transformada en energía potencial (altura) por medio de un incremento del área de flujo. La función principal de este es convertir la energía de alta velocidad y baja presión, en energía de baja velocidad y alta presión.

Las bombas electrosumergibles están construidas en diferentes diámetros dependiendo del espacio disponible en el pozo. Dentro de esta se

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superponen varias etapas en forma ajustada y dispuestas en serie para obtener la altura de columna deseada.

Figura 29. Etapa de una bomba centrifuga (Schlumberger, 2007)

Las bombas electrosumergibles se pueden clasificar en dos categorías generales de acuerdo al diseño de sus impulsores; las de flujo radial, son por lo general bomba de bajo caudal, bajo contenido de gas y baja cantidad de sólidos. La Figura 30 muestra la configuración de este tipo de etapa. Se puede observar que el impulsor descarga la mayor parte del fluido en una dirección radial, debido a que estos impulsores tienen los ángulos cercanos a los 90°. La Figura 31 muestra la configuración de una etapa de flujo mixto. El impulsor en este tipo de diseño de etapa le imparte una dirección al fluido que contiene una componente axial considerable, a la vez que mantiene una dirección radial, en este caso la dirección de los ángulos de los álabes son cercanas a los 45° y son encontrados generalmente en bombas para altas tazas de flujo, con un mayor contenido de gas, y fluidos que contienen sólidos suspendidos (Schlumberger, Banaga. M, 2009).

76 Figura 30. Etapa de Flujo Radial Figura 31. Etapa de Flujo mixto

(Schlumberger, 2005)

En muchos de los diseños de las bombas, los impulsores están diseñados para flotar axialmente sobre el eje, tocando las superficies de empuje del difusor. La carga individual de cada uno de los impulsores es absorbida por las arandelas de empuje localizadas en el difusor. Como resultado, las bombas pueden ser ensambladas con centenares de etapas individuales. Esta configuración es denominada bomba de construcción flotante. El beneficio de este diseño es que se pueden ensamblar bombas de muchas etapas sin necesidad de alinear los impulsores milimétricamente.

Existen bombas donde su construcción es de tipo compresión donde cada impulsor está fijo al eje de forma rígida de modo que no puede moverse sin movimiento del eje. Todos los impulsores son comprimidos en conjunto conformando un solo cuerpo rígido, de tal forma que si un impulsor trata de moverse hacia arriba o hacia abajo, este tratará de mover también al eje y al conjunto de todos los impulsores con él, en este caso la carga de los difusores es transmitida mediante el eje al cojinete del protector.

Los impulsores tienen un diseño con alabes curvados totalmente cerrados, cuya máxima eficiencia es una función del diseño y tipo de impulsor y cuya eficiencia de operación es una función del porcentaje de la capacidad de diseño a la cual opera la bomba. La relación matemática entre la altura de columna, la capacidad o caudal, eficiencia y potencia al freno se expresa con la siguiente fórmula para la potencia:

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(Ecu 52)

Donde:

Q: caudal (BPD)

H: levantamiento cabeza (Feet)

gravedad específica, adimensional

: eficiencia de la bomba, %

Las etapas están diseñadas de tal manera de mantener una fuerza de empuje axial descendente en el impulsor en todo su rango de funcionamiento. Esta fuerza puede variar desde un valor bajo en el punto de operación máximo con una fuerza de empuje creciente hacia el punto mínimo de operación. Están diseñadas de esta manera para asegurar un funcionamiento hidráulico estable. Por lo tanto, la debe funcionar dentro del rango de operación recomendado para proporcionar una óptima vida útil. Las bombas que funcionan fuera de este rango, tendrán una vida útil reducida y pueden tener un efecto negativo en los otros componentes del sistema electrosumergibles.

La capacidad de descarga de la bomba electrocentrífuga sumergible depende de la velocidad de rotación (r.p.m.), del diseño de la etapa, la altura dinámica contra la cual debe funcionar y las propiedades físicas del fluido que está siendo bombeado. La altura de columna dinámica total de la bomba es el producto del número de etapas por la altura de columna generada por cada etapa. La Figura 27 muestra el desempeño para una bomba de una sola etapa, operando a 60 Hz.

Las curvas de desempeño de una bomba cambian con los cambios de velocidad/rpm, de tal manera que las curvas de rendimiento conservan sus rasgos característicos. Las características esenciales de la bomba (H/Q, P, y Eff) generalmente obedecen a las leyes de afinidad cuando las rpm cambian.

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(Ecu 53)

Caudal o capacidad. El flujo varía proporcionalmente con la velocidad.

(Ecu 54)

Levantamiento cabeza. Levantamiento varía al cuadrado en proporción a la velocidad.

(Ecu 55)

Potencia al freno. HP varía al cubo en proporción a la velocidad.

Sobre el impulsor actúan tres fuerzas, la sumatoria de estas es el empuje total, a continuación se detalla cada una de estas:

1. Gravedad actuando sobre la masa del eje y del impulsor. La dirección de esta fuerza es descendente.

Figura 32. Peso del impulsor y eje en el fluido (Schlumberger, 2005)

2. La fuerza neta resultante del diferencial de presión actuando sobre la etapa. Puede ser descendente, ascendente o cero (cero ocurre a flujo abierto - sin presión a la descarga).

79 Figura 33. Fuerza neta resultante del diferencial de presión en la etapa

(Schlumberger, 2005)

3. La fuerza del momento del fluido entrando en la etapa. Pude ser ascendente o cero (cero ocurre a la presión de cierre – o condiciones de no flujo).

Figura 34. Fuerza del momento del fluido (Schlumberger, 2005)